Kristalle ungeladener Kolloide

PMMA-Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 1 µm in einer Misch-
ung aus Decalin und Kohlenstoffdisulfid, welche an den Brechungsindex des PMMA exakt angepaßt ist. (Quelle: P.N. Pusey und W. van Megen:
Nature 320 (1986) 340)

Hard Spheres / Phasen

In dieser sterisch stabilisierten kolloidalen Suspension ähnelt die Wechselwirkung der Partikel untereinander der von Billard-Kugeln. Die Teilchenkonzentration ist der einzige Kontrollparameter, der bei Metallen einer Unterkühlung unter den Schmelzpunkt entspräche; eine ansteigende Konzentration wirkt ähnlich wie eine verstärkte Unterkühlung.

Mehrere Beobachtungen lassen sich unmittelbar erklären:

  • Die Konzentration an Teilchen in der Lösung nimmt im Bild von rechts (Amp.1) nach links (Amp.6) zu. Dies ist auch an der Farbveränderung von überwiegend rot hin zu überwiegend grün zu erkennen. Man beachte: bei kubischen Kristallen ist die Wellenlänge der Bragg-Reflexionen proportional zur Gitterkonstante, die hier wiederum mit zunehmendem Volumenbruch abnimmt.
  • Zunächst nimmt mit zunehmender Teilchenkonzentration der Anteil der kristallinen Phase auf Kosten der fluiden Phase zu (Amp.1 und 2). Dies ist an den kleinen Pünktchen zu erkennen, die Bragg-Reflexe im Sichtbaren darstellen (man denke an die Teilchengröße). Man nähert sich entlang der Koexistenzlinie flüssig/fest dem Schmelzpunkt, an dem nur noch kristalline Phase vorliegt (Amp.3).
    Mit weiter zunehmender Teilchenkonzentration wird die Suspension weiter "unterkühlt"; die nunmehr abnehmende Nukleationsrate manifestiert sich in kleiner werdenden Kristalliten (Amp.3 und 4).
  • In Amp.5 ist die Keimrate so gering, daß heterogene Kristallisation überwiegt.
  • Noch weiter steigende Konzentration führt zu einer glasartigen Phase (Amp.6).

Wenn es sich bei der beobachteten Überstruktur tatsächlich um eine kristalline Fernordnung handelte, müßten die im optischen Bereich liegenden Bragg-Reflexe nach den Methoden der Röntgenstruktur-
analyse auswertbar sein.
Dies ist in der Tat der Fall.

Das nebenstehende Bild zeigt die Debye-Scherrer-Ringe einer kristallinen kolloidalen Suspension wie oben. Die Millerschen Indices sind eingetragen. Aus dieser Indizierung wird ersichtlich, dass die vorliegende Probe fcc kristallisiert.
Die Abbildung wurde mit der in Kiel entwickelten Apparatur zur simultanen Messung von Bragg- und Kleinwinkel-Lichtstreuung gewonnen.

Hard Spheres / Bragg-Reflexe

Anschaulich einsichtig wäre, wenn die Kristallstruktur von "Billardkugeln" eine wilde Mischung aus fcc und hcp wäre, wie es auch von vielen Gruppen beobachtet wird.
Unsere Untersuchungen zeigen immer deutlich überwiegend die fcc Kristallstruktur, wie oben gezeigt. Seit kurzem (2000) ist aus Computersimulationen bekannt, dass in der Tat die fcc Kristallstruktur leicht thermodynamisch bevorzugt ist. Ob unsere Ergebnisse dies vorwegnahmen, oder zufällig eher eine fcc Struktur aufwiesen, ist ungeklärt.

Einfache Metalle mit fcc Kristallstruktur sind: Ca, Al, Cu.
Einfache Metalle mit hcp Kristallstruktur sind: Mg, Ti, Zn.
Einfache Metalle mit bcc Kristallstruktur sind: Ba, Cr, Fe.

Weitere Informationen zu diesen Untersuchungen findet man auf der HomePage
der AG von Prof. Palberg in Mainz.